上猶江水庫汛限水位動態控制運用探討

摘 要：由于水庫的調節能力有限，嚴格按照“汛限水位靜態控制法”進行調度運用，一方面造成洪水期水資源沒有得到充分合理利用，水資源浪費極大，水庫在汛后常不能蓄至正常興利水位；另一方面在非洪水期又很快缺水，常無水可用。文章以上猶江水庫為例，分析水庫實行汛限水位動態控制的必要性和可行性，以及探討控制運用方法。

關鍵詞：汛限水位；動態控制；水庫運用

前言

水庫汛限水位動態控制是指水庫在汛期，根據實時雨、水情，利用預報成果，在不降低水庫防洪標準，確保水庫、上下游地區防洪安全的前提下，按照經科學論證并經有關部門審批的水庫汛限水位動態控制方案確定的控制范圍對汛限水位進行浮動的調度過程。

水庫汛限水位關系到水庫防洪安全、發電綜合效益高低、地區供水安全保證程度。從發電角度看，汛限水位越高，發電效益越好。從供水角度看，汛限水位越高，城鎮工業和生活用水、下游灌溉和航運越能保證。但從防洪角度看，汛限水位越高，意味著水庫調節庫容越小，對水庫的防洪不利。那么如何協調這一矛盾關系？在實際運用中，可通過對汛限水位進行動態控制管理來處理好這一矛盾。

上猶江水庫在多年的實際調度中，認真遵照上級防汛指揮部門的調度命令，嚴格按照批復水庫調度規則運行，電站自投產以來已累計發電約100多億kW·h，同時還一定程度地改善了上猶江防洪、航運、灌溉及城市供水等條件，經濟和社會效益顯著。但多年運行實踐也暴露出以下問題：由于水庫的調節能力有限，嚴格按照“汛限水位靜態控制法”進行調度運用，一方面造成洪水期水資源沒有得到充分合理利用，水資源浪費極大，水庫在汛后常不能蓄至正常興利水位；另一方面在非洪水期又很快缺水，常無水可用。特別是近年來隨著社會經濟的發展，下游通航和最小生活取水流量正不斷加大，綜合用水矛盾日益突出。為加強洪水管理，科學利用洪水資源，依照國家防總下發的《水庫汛限水位動態控制試點工作意見》，上猶江水庫，應當在總結幾十年調度經驗的基礎上，根據當地中小洪水與設計洪水或特大洪水出現的規律，結合水文氣象預報信息，充分利用現有水情自動測報、洪水調度自動化、氣象衛星云圖、計算機網絡等現代化先進技術，改變常規的調度方法，實施水庫汛限水位動態控制，提高水庫重復庫容利用率。

1 工程概況

上猶江水電站位于上猶江中游上猶縣境內，壩址控制流域面積2750km2，占上猶江流域面積的60%。樞紐是以發電為主，兼有防洪、航運、城市供水和漁業等綜合效益的大型水利樞紐工程，總庫容8.222億立方米，正常蓄水位198.4m，相應正常蓄水位庫容7.212億立方米，興利庫容4.71億立方米。大壩為混凝土重力壩，壩頂高程202.5m，最大壩高67.5m，壩頂總長153m。大壩100年一遇設計洪水位199m，1000年一遇校核洪水位200.6m。樞紐工程主要建筑物包括大壩、發電廠房和泄洪建筑物等。溢流壩段總長80m，設5個溢洪閘門，最大泄量4940m3/s。

水庫流域屬亞熱帶季風氣候區，氣候溫濕多雨。一般每年3月下旬到4月初，流域各地開始進入雨季，先后發生暴雨。多年平均降雨量1650mm，主要降水集中在4～9月，占年降雨量的70%，其中尤以4～6月最為集中，占年降水量的43%，占整個汛期4～9月的62%。由于降水成因不同，洪水形成差異，4～6月夏汛期主要為峰面降雨洪水，7～9月秋汛期主要為臺風降水引發的洪水。最大月降水量517.9mm（1968年6月），一日最大雨量為126mm，三日最大雨量224mm。降水主要為冷鋒、氣旋、低壓、高壓邊緣、臺風、高空低壓、切變線及西南低渦等天氣系統造成，其中冷鋒過境時發生的降水機會最多，氣旋所致的降水持續時間最長，量也較多；4～6月南嶺靜止鋒和穩定的切變維持，7～9月從福州至汕頭之間登陸而向西北方向移動的西太平洋臺風，均會在流域造成強度大、歷時長的暴雨，對水庫影響最大。

水庫流域內徑流主要由降水形成，冬季雪水極少。實測多年平均流量為82m3/s，平均徑流系數54.6%，徑流年內分配極不均衡，4～9月占年總來水量的73.1%，其中4～6月占年來水量48.3%，年平均流量變幅達118.9m3/s，其中1961、1973、1975年為特豐年型，1963、1965、1971年為特枯年型。

水庫洪水系暴雨形成，由于降水成因不同，洪水形成差異，夏汛期（4～6月）洪水主要受鋒面降水影響，洪水峰高量大，秋汛期（7～9月）主要受臺風降水影響，峰量次之。壩址最大洪峰流量3560m3/s，最小流量8.29m3/s。據統計，水庫洪峰大于500m3/s的洪水中，徑流量大于50mm的大洪水占31.9%，徑流量小于20mm的小洪水占13.2%，徑流量介于二者間的中洪水占54.9%，因此水庫實測洪水以中小洪水為主。此外，鋒面雨形成的洪水占60%以上，臺風雨形成的占16%，其余24%為其他天氣系統降水形成。洪水過程大多陡漲陡落，極不對稱，漲洪歷時僅達數小時，而退水段可長達七天以上。

水庫汛期為4月1日至9月30日。原調度規則中4月1日至6月10日為主汛期，主汛期汛限水位196.50m，相應庫容6.426億立方米；6月11日至9月30日為秋汛期前，汛限水位198.4m，相應庫容7.212億立方米。2003年省防汛抗旱總指揮部對汛限水位進行了調整：4月1日至6月20日為主汛期，主汛期汛限水位195.50m，相應庫容6.022億立方米；6月21日至9月30日為秋汛期前，汛限水位197.7-198.4m，相應庫容6.924-7.212億立方米。

2 水庫汛限水位動態控制的必要性

水庫分期汛限水位靜態控制運行不大科學合理，使水庫不能發揮其最大的綜合利用效益。從水庫靜態法控制原理上分析，其應用理念是全汛期始終必須預防設計標準的小概率洪水事件發生，滿足水庫設計的防洪安全要求，也即是認為汛期水庫隨時都可能發生大洪水，汛限水位必須嚴格控制在設計的限制水位以下，才能確保水庫及下游安全。這樣一來，常造成水庫空庫迎汛和度汛，后期若未發生洪水，則影響水庫蓄水興利。

上猶江水庫歷年汛期起止日期變動不大，洪水出現規律較明顯，汛期洪水多呈單峰型，遇連續降雨亦有部分雙峰型。水庫從汛限水位到正常高水位之間庫容，汛限水位為195.5m時為1.22億立方米（若汛限水位為196.5m時為0.79億立方米），在多年的實時調度中，按照汛期分期的汛限水位，不考慮面臨時刻實際與預報的水雨情，只要水庫水位超過汛限水位便要棄水，致使一些年份形成“汛期棄水，汛后不能蓄至興利水位”的局面，洪水資源浪費較大，如果在汛期采用動態控制措施，將此防洪興利結合庫容在兩次洪水之間，用于興利，則所取得的效益是十分可觀的。以2000年～2010年的水庫調度情況為例（成果見表1），可看出“靜態法控制”控制時水量損失及可得用的棄水量。

表1 水庫最大可利用棄水分析表

從表1可看出，采用“靜態法控制”進行洪水調度，水庫來水無論偏豐，或是偏枯，汛末均無法將水流蓄滿，即使是2002年分別在6、8月份出現了兩次集中降水過程，但汛末庫水位僅蓄至196.74m，而后由于10月份的大洪水才使水庫蓄滿。這也說明庫水位從主汛期限制水位到正常蓄水位之間，存在一定的調蓄空間，而且也從另一角度說明主汛期和后汛期之間，不可能是跳躍性的，二者之間應當有一個合理的轉換期，而在這個轉換期內，可考慮進行庫水位動態控制，在這個轉換期和相應的空間內，對庫水位進行合理調蓄。由此，可提高水庫的蓄滿率，并能充分利用防洪庫容，進一步減少棄水，而用于興利。

3 水庫汛限水位動態控制研究的可行性

3.1 上猶江水庫實施汛限水位動態控制的條件

上猶江水庫大壩自蓄水運行以來，經歷了1961年、1973年、1975年、1992年、1997年及2002年等特豐水年運行，又經歷了1963年、1965年、1967年及1971年特枯水年的運行；經受過七次超設計洪水位的考驗，其中最高洪水位超過200m的有三次，即200.265m（1970年）、200.245m（1973年）和200.03m（1994年），均未發現異常現象。大壩在一至三輪安全定檢中，均評定大壩為一類正常壩。水庫現有洪水預報方案在預見期6-12小時內達到甲級。水庫泄洪閘門控制靈活，閘門起閉時間短，正常情況下可在10分鐘內完成閘門的起閉，水庫的泄洪能力極強，預泄能力大，主要受下游河道允許預泄流量約束。具備完善且運行穩定的水庫水雨情自動測報、洪水預報調度系統，全流域信息收集到預報方案作出只需10分鐘左右的時間。管理機構健全，技術力量雄厚，與上級防汛部門聯系暢通，防汛通訊預警系統已建成投運。因此，上猶江水庫實施汛限水位動態控制的軟、硬件條件是具備的，應當盡快開展研究工作，編制切實可行的水庫運行方案并予以實施。

3.2 汛限水位動態控制方法

上猶江水庫汛限水位動態控制，可按照主汛期和秋汛期分成兩個階段，那么相應的主汛期水位動態控制的區間可在195.5m～197.7m之間選擇，秋汛期則可在198.4m～199m之間選擇。

汛限水位動態控制可采用下面的方法：

（1）應用預泄能力約束法，即有效預見期內預泄能力計算的預蓄水位作為動態控制汛限水位上限。這種方式主要受水庫的泄洪能力、下游河道的安全泄量和有效預見期等的約束，要求安全性較高，一般不考慮降雨預報信息。

根據歷年洪水資料統計分析，上猶江水庫洪水主要為二十年一遇以下的頻率，約占歷年洪水的80%，建庫后出現了最大洪水頻率約為五十年一遇。那么，根據設計洪水過程，洪水從起漲到出現下游安全泄量1390m3/s的時間約為12～24小時。

按起調水位195.50m，起漲前基流假定為100m3/s，不同的預見期和預泄量，庫水位控制情況見表2。從表2可說明，水庫在洪水起漲前預泄，可騰出1～2m的庫容（約8000萬立方米），也即是說，在一次洪水過后，正常情況下可以超蓄1～2m運行，后期視來水情況采用不同方式消落水位，可保證水庫安全的前提下，多利用8000萬立方米的水量。

（2）預報調度方式及其規則確定方法。其核心是在滿足水庫本身及上、下游防洪標準與要求的原則下，通過調節不同防洪標準頻率設計洪水過程，尋求判斷水庫遭遇洪水的量級，改變泄流量的判斷指標（或稱調洪規則）及相應的汛限水位值。以此水位作為汛限水位動態控制約束域上限值，原設計的限制水位為約束域下限值。這種方法要求采用較“壩前水位或實際入流”等判別標準更為超前的參數，作為判別遭遇洪水量級及改變泄流方式的指標，如氣象降雨預報、實時的降雨量、累積凈雨量及峰前流量等。基于這一特點，水庫預報調度方式選擇前期信息作為水庫洪水的差別指標，就有可能達到提前均勻泄流，需要防洪庫容較小的效果。

（3）統計分析法。即考慮年內洪水時序變化規律，盡量使年度預報向實時調度靠近，進行連續滾動確定各時期的控制上限水位。每當汛期發生一場洪水后，要求根據面臨時刻以后發生不同頻率洪水的規律，隨實時高度的進程給出不同的汛限水位動態控制域值。

3.3 汛限水位動態控制方法分析及效益估算

上猶江水庫降雨和來水具有較為明顯的分期特性，假設主汛期按照目前防汛部門下達的汛期限制水位195.5m為動態控制的下限，以原汛限水位196.5m為上限，秋汛期限制水位動態控制范圍仍執行197.7～198.4m，如果汛期在上述分期控制范圍內，在每次洪水的退水段通過實施“預蓄預泄”等調度方法動態控制，充分利用該結合庫容發電興利，將取得較大的經濟效益，且有利于水庫蓄水，提高水庫蓄滿率。

（1）主汛期一次洪水動態控制發電效益估算。195.5～196.5m之間庫容：40.45×106m3，假定基流為100m3/s，耗水率9m3/kW·h，計算的發電量為300萬kW·h～750萬kW·h，平均為525萬kW·h。

（2）秋汛期一次洪水動態控制電效益估算。197.7～198.4m之間庫容：28.85×106m3，假定基流為100m3/s，耗水率9m3/kW·h，計算的發電量為210萬kW·h～530萬kW·h，平均為370萬kW·h。

上述估算僅從一個假定作出的，如果通過分析認證，能夠提高各分期控制水位的上限，同時為了下游防洪，可適當提高防洪高水位到198.8m，將汛限水位至198.8m之間庫容用于下游防洪，并采取相應的科學調度規則，則取得的發電效益將更大。

4 結束語

實行汛限水位動態管理，一是可以少棄水，由于超過正常汛限水位的水不用立即泄洪，可以有效提高單位的經濟效益；二是可以抬高發電水頭，提高水能利用率；三是由于提高了汛限水位，增加了庫容，可以提高預防旱災的能力。但是汛限水位控制新理念及其假定的科學性需要經過一定時間的實踐檢驗，隨著水雨情信息采集系統的全面建設，洪水預報方法研究的發展及氣象部門降雨預報精度的提高，相信汛限水位控制理論和實際應用將趨于更加完善。

參考文獻

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作者簡介：蒙在京，高級工程師，江西中電投峽江發電有限公司水工車間主任，一直從事水工技術管理工作。